多体系统中量子纠缠的含时演化、传输和调控

通过分析多体量子系统中量子纠缠和纠缠的含时演化实现量子纠缠的传输和调控。本项目拟针对量子多体系统，如自旋系统、分子磁体、低维量子网络等，构造接近实际量子体系的哈密顿量，通过系统的concurrence、negativity、纠缠熵和保真度等物理量计算和分析系统中的纠缠和纠缠的含时演化，综合考虑量子位之间的相互作用、各向异性、外场以及系统和环境耦合引起的消相干效应等对纠缠和相干态的影响，实现长程量子纠缠和相干态的产生、保持和操控。在理论分析中，本项目拟根据不同的量子多体系统，对系统的哈密顿量分别采用精确对角化的方法求出纠缠的解析形式，或者采用含时密度矩阵重整化群(t-DMRG)的方法进行数值计算，得到纠缠的数值解。同时，结合已有的实验测量，分析量子多体系统中纠缠和纠缠随时间的演化以及相干态的产生和复制等，为固态系统在量子隐形传态和量子计算中的应用提供可靠的模型和理论依据。

近年来，作为交叉的综合学科，量子信息科学受到全世界各国政府和国内外学术界的高度重视。为了实现量子信息在量子通信和量子计算中的应用，研究多体量子系统中量子态的含时演化，实现量子态的远程传输和调控就成为人们需要解决的最重要的课题之一。本项目通过理论分析和数值模拟研究了多体量子系统中量子纠缠和量子态的传输和调控，探讨了具有无标度和团簇性质的实际互联网的拓扑结构可能在纠缠建立中所起的作用，提出通过量子纠缠渗流优化网络量子通信的方案。当三能级原子被嵌进耦合谐振器波导中时，通过调节原子和场的相互作用使得入射光子的偏振方向在传输过程中发生反转，设计出光子偏振开关。当耦合腔阵列的每个腔中含有一个三能级原子时，在量子态沿腔的传输中，通过一类开始编码和最终解码的方式可以获得更高的传输几率和更长的传输距离。我们提出一个理论方案，仅通过局域电子学测量单个氮空位(N-V)中心的金钢石来检验量子记忆协助的熵不确定关系。在具有循环相互作用的自旋梯中，当自旋梯中自旋数量增加并存在适合的外磁场时，纠缠态能被储存甚至囚禁在高的纠缠状态上。在自旋-玻色子模型中，当热库参数大于某个同温度有关的阈值时，量子Fisher信息会从环境流向量子比特，最大量子Fisher信息中的突变现象可以表征纠缠的存在。利用微扰理论可以推导出近似的拉比模型的解析解，解析结果与数值模拟和实验参数符合得很好。在有限温度下，自旋和量子态系统中的量子失协比量子纠缠有更大的优越性。这些结果可以为量子态的传输和调控、实现高保真度的远程量子通信和可规模化的量子计算提供理论依据。在国家自然科学基金项目资助下，课题组发表了29篇学术论文，培养了1名博士和10名硕士，主办了一个量子信息学的国际会议，有38人次参加了12个相关的国际和国内学术会议。